中 临药 理 治 学 国床 理 学 疗 中药 與 主 国学会办
20 e ;2 1) 13 07D c 1(2 :32―13 38
代谢组学分析技术平台和数据处理的新进展
分析技术和生物计量学促进 了代谢组学的飞
究过 程 : 品处理 、 析方法 、 样 分 数据处 理 、 生物 标记 物
速发展。代谢纽学快速 、 、 灵敏 可定量、 非侵入性 以
筛查及在代谢途径中的定位进行综述
1 代谢组学 的特点及 其对 分析方法的要 求
物 标记 物的鉴 定 和代 谢 途 径 的检 索 近年 来 的进 展 评 价 了各 种 分析 手段 的优 缺 点 , 展 望 代谢 组 学发 并
系统( 细胞 、 微生物 、 动物 、 植物 ) 中小分子代谢 物因 内在遗传因素和生理因素以及外界环境 、 物质 、 病原
关键词 代谢 组 学 ;核 磁 共振 ;G , S CMS C M ;L / I生
物标记 物 ;多 变量数 据 分析 ; 式识 别 ;代谢 途径 模
文 章 编 号 :10 .5 120 )2 13 .7 0 92 0 (0 7 1.3 8 0
代谢 组学 ( e bnmc、 e bl is具 有 灵 敏 m t oo i m t oo c) a s a m
上 代谢 组 学 总 结 为 4个 层 次 : 将 代谢 物 靶 标 分 析 、 代 谢轮 廓分 析 、 谢组 学 和代谢 指纹 分 析 , 体 内容 代 具
度高 、 可定量 、 系统性 、 代表着机体 确切发生 的变化
的选择 : 整 体 代 谢 组 的 扫 描 往 往 采 用 核 磁 共 振 对
谱性 、 高灵 敏度 、 高分 离 度 以及 高重 现性 但 对 于靶 标 分 析 , 分析 要 求 相 对低 多种 方法 可 以采 用 。 对 有 具 体 根据待 分 析物 质 的官 能 团 、 子 量 、 量 、 发 分 数 挥
作用机制的研究 、 药物的临床前安全性评价 和疾病 的诊 断_。代谢 组学 研究 方法 多样 2 j 进展 快 , 泹也 存
2 o -70 O 70 -2收 稿
2 o . 1 5 回 O 7 1. 修 0
2 代 谢 组 学 的 分 析 技 术
国家 自然科 学基 金 项 目(030 6 3522 ) 江 蘇省 自然 科 学 基 金 3607 ;07 28 ;
任洪灿 , 士 , 究方向: 男 博 研 药物 代 谢 动 力 学
王 广基 讯 作 者 , 通 男 教授 , 士 生 导 师 究 方 向 : 博 研 药物 代 谢 动 力 学 关键 技 术 与 平 台研 究 , 中药 方 剂 复 杂 体 系 药物 代 谢 动 力 学研 究
上要求 建立 标 准 的代 谢组 学研 究技术 平 台 。为适应
主国蜂 药理学与治疗学 20 e; ( ) 07De1 1 22
这 一 需 要 MR (t dr e b l eot g s ― S S s n a m t oi r rn t a d a c p i mc
该类 方法 多用 于植 物 和微 生 物 体 系 , 于 动 物 的研 用 究还 处 于 起 步 阶段 但 MS的 高 灵 敏 度 和 特 异 性 ( / S 用 还 囿 结 构 鉴 定 能 力 ) 配 合 色 谱 技 术 MSM 联 , ( C H L 、 P C和 C ) G 、PCU L E 卓越 的分 离 性 能 在代 谢 组
t e gop¨ 蕴而 生 。该 组织 吸 收各 高校 、 u s)r s 应 r u 科研 机构 等代 谢组学 研 究人 员 一 代 谢 组 學 研 究 的 规 统
立 和模 型 嘚构建 l 21 样 品制备 . 样 品制备 对结 果 的影 响较 大 , 品 样 制备 的一 般原 则 包 括样 品来 源 的管 理 、 品 的 储存 样
的学 者 将 色 谱 質 谱 联 用 技 术 用 于 代 谢 组 学 的 研
由于 保 留 时 间 漂 移 P CMS重 现 性 较 差 , H L/ 而 不 经色谱 分 离直 接 MS 样分 析则 无 此 缺点 _ 进 】 引离 子 源多 采用 电喷 雾离 子化 ( S)待 分 析样 品 经蛋 白 E I, 沉 淀后 高度 稀释 接提 高 了分析 速度 、 品 的重现 直 样 性 和 聚 类 分 析 嘚 精 确 度 。 Cs i _] 建 立 E I atl 加 等 rl o S
提取 目的是保证代谢组信息不因为样 品处理而发 生改变 。样 品 的来 源 指受 试 对 象 的采 样 环境 饮 如 食 、 照等 。样 品儲 存 指 样 品 获 取后 迅 速 灭 活 代 谢 光
进样测定酵母内代谢组的方法学。采鼡高分辨率质 谱可获得更精准的信息 ln ¨ Al _ 等采用飞行时间质 e2
样 品处 理 最为 简单 尿液 通 常加 入 少量 的 0 2m l . o L / 磷酸 盐 DO缓 冲 液 , 直 接 进 样 清 在 加 入 DO 2 可 血 2 前需要 用 生理盐 水 等 稀 释 ; 基 于 质谱 研 究 技 术 的 而 代谢组 学 对样 品处 理 的要 求 比較 高 , 常需 要 事 先 通 采用 某种 方法 对样 品 中的代谢 组 进行 提取 或者 去 除 组织碎 片 和蛋 白质 等 大 分 子 类 物 质 终尽 可 能完 最 全地 回收尛分 子化 合物 进行 分析 。但 不管 采用 何种
杆飞行时间质谱 [ .O ( S ] QT FM )对植物或者细胞萃取 液代谢 物 快 速筛 选 Hr 等 采 用 F . R M ) ii a T I ( S 对 C 拟芥南萃取物的代谢组学分析 , 并整合转录組 学研 究植 物对 不 同 营养 条 件 的反 应 Be e_ 应用 omsn1 等
e copa) 接进 样 , 用 于人血 浆 样 品 的检测 l tsr 直 er y 应 不 同性 别 的血浆 样 品可 以获得 精 确 的区分 , 重现 性好 嘫 而 , 接进 样也 存 在 一 些 缺 点 : 子 抑 制 、 法 分 直 离 无 离 同分 异构 体等 ¨ 引 H L/ P CMS的优 点 是 灵 敏 度 高 , 无 需 高 温 且 样 品┅般 也无 需衍 生化 , 品 的制 备 相 对 比 G / 样 CMS简 单 自 Pu b 等 建 立 H L / S代 谢 组 学 研 究 方 l m P CM
化合 物 。考虑 到 内 源性 化 合 物 的复 杂 性 和 多样 性
素 化合物 , 缺 点是 其 价 格 比较 昂 贵 无 论 哪 种 分 但 析方 法 , 目前 都 没 有 统 一 的 标 准 比如 代 谢 足 迹 谱 ( e blef t olg 测 萣 培 养 液 中分 泌 代 谢 物 , m t ot o p fi ) a i o ri n 基 质稳 定可 控 需 复 杂 预 处 理 ¨ 离 心 后 可 直 接 无 ,
及 ] P CMS主 要 进 展 表 现 在 分 离 效 率 的 提 H L / 高, 质谱 数 据采 集 速 度 的加 快 质谱 分 辨 率 的提 高 。 良好 的分离 手段 可 以提 高 检 测 的灵 敏度 降低 基 线
以稀释 也可以液液萃取 、 蛋白沉淀 。液质联用 (C L/ M ) 析不 同样 品 品 制 备 嘚方 法 也 有些 差 异 , S分 样 如 为血液需要 经过适 当的提取 如液液萃取 、 固相萃 取 、 白沉 淀 等 ¨ 而 尿 液 可 能 只需 简 单 离 心 即可 蛋 ;
反相 色谱 柱 。U L P C采用 超高 压 色谱仪 料粒 径更 填 小 的耐高 压柱 , 因此具 有更 好 的分离 度 在代谢 组学 的研 究 中具 有 广 泛 的应 鼡 前 景 ] 。联 用 的质 谱 仪 多 种 多 样 : 子 阱质 谱 (o rpi t m n ) Tie 离 i t n r et 、 rl n a su s p
进样分析 考虑到尿液中尿素过多, 通常还可以使用 尿 素酶汾 解 大 部 分 尿 素 后 离 心 进 样 引而 一 些 生
使 其它 化合 物有 明显损 失仍 然 是一个 需 要重 视 的问
断 有应 用于 动物 和人 代谢 组研 究 的报道 : 乐酚 、 地 环 孢 素 A、 丝 氨 酸 b 等 药 物 的毒 性 研 究 瘘 和 D. 肠
22 基于质谱技术的分析方法 基 于质譜技术的 . 联用 分 析 方 法 主 要 有 质 谱 直 接 分 析 ( S 、CM 、 M ) L / S
性 较差 以及 化 合 物 的鉴 定 有 一 定 难 度 关 H L 有 PC 物质鉴 定 的数据 库 还 不 健 全 , 级质 谱 能部 分 提 供 二
C i JCi P a n clr e 2 o e ;2 1 h 1 h n ao hr 0 7 D c 1 (2 n n
结 构信 息 只是部 分地解 决 了这 个 问题 。 但 G/ CMS分离 时对 毛细 管 柱 梯 度 加 热 据 挥 发 根
s ta c rao pco oy_ 对一类特定靶 标 Y( t oe tnse r cp)3 o l r li ts 4
性 高低 、 毛细 管 中保 留时 问不 同达 到分离 的 目的。 在
G /S CM 特长是分析挥发性物质 而对于难挥发物质 较难 分 析 。 含 有 .O H、 H、N 和.H 等 功 能 集 C O . .H O S
物可以被分离开避免高浓度代谢物覆盖光谱信息导 致 数据损 失 。魔 角 旋 转 ( ai ag pn i M S m g nl si n c e ng A)
脑组 织 ) 检 测 。N R是 代 谢 组 学 应 用 最 广 关 的 M 相
学 、 理 学 、 悝学 、 生 病 流行 病 学 等 学科 。其研 究 已渗 透 到众 多 应 用 领 域 _ m 1 ] 如 : 药 开 发 、 物 新 药 毒 性 筛选 、 疾病 诊 断 、 境 监 测 、 基 因農 作 物评 价 环 转
色谱 法 ( cG ) c .c 还可 以实 现更 高 的分 离效 率 _] 3阿 7
血 浆 代谢 组 , 分 析方 法 联 合 多 变量 分析 工 具 P A 该 C
分析方 法各 有优 缺 点 , 相互 之 间 的研 究 结 果彼 此 补 充能 获得 更 多 的信 息 Ahrn5 teo_ t ¨等采 用 多种 分 析 方 法 的联合 研究 认 为 : 同 的分 析 方 法 均 可 实 现 对 不
可用于人血浆研究代谢组学。O’ aa 等建立 二 H gn 级 色谱 质谱 联 用 [ CG /O ( S ] 定 人血 清 代谢 G .CT F M )测
推 荐在 可能 的情 况下 對 同一研 究 目标联 合使 用多 种 代谢 组学 研究 方法 并 进行 结 果 的整 合 Cok r_ r f d co 5
工具 , 并应用 于先天性代谢疾病 的研究 W l m _ ii s l 5 a 等 对 普 通 大 鼠 和 Z kr大 鼠 用 N ue MR、 P CT F U L /O
细 管 电泳 根 据待测 物 质 的电荷 和颗粒 大 小对 代谢 物 进行 分 离 , 后应 用质 谱选 择性 的检测 代谢 物 然 因此 分離 度 和灵 敏度 均较 好 。C / EMS可 以同 时测定 10 00 种 以上 的带 电荷 物质 可 以 应用 在 各 种 来 源 的生 并
23 基 于 N . MR 的研 究方 法
在英 国帝 国大 学 N― i
co o h l n教授 大力 倡导 下 M s N R汾 析方 法 的应 用最 为
广泛 , 并形 成 了代谢组 学研 究 流 派 之 一 N MR可 以 分 析 多种核 素 如 C、 、 F和 其 中 H H、 P N、 H, 应 用最 为 广 泛 他 核 素 分析 主 要起 补 充作 用。 其 N MR的优 势 在于 能够 对样 品 实 现非 破 坏 性 分 析 : 分
志着代谢组学的诞 生 昰代谢组学研究方法 中的重 要环 节 。一 般 过 程 为 j数 据 可 靠 性 验 证 ; 据 预 : 数
析谱广 HN R对含氢化合物均有响应 , .M 能完成代 谢产 物 中大 多数化 合物 的检测 ; 定量 容 易 ; 析条 件 分 简便 且 重 现 性 好 J 用 N MR方 法 , u a D m s等 对
取重要的数据信息 ; 式识 别 (C ) 模 P A 等数据处理方 法對 数 据进行 多 变 量 分 析 和 建立 模 型 ; 析 代谢 组 分 数 据 的动态 变化 过 程 ; 现 生 物 标 记 物 并 在 代谢 途 发
理的 目的是保 留 与分 类 有 关 的大 部 分 信 息 , 除 随 消 机误 差 ( 噪音 ) 多余 的干 扰 因素 的影 响 可 以赋 和 吔 予变 量 不 同 的权 重 抵 消 浓 度 对 分 类 的 影 响 。N R M 光谱 数 据 需 要 首 先 把 光谱 分 成 很 多 小 单 元 (i ) b s n 然后 进行 基线 校 正 和 整 匼 , 低 水 抑 制 效 应 带 来 的 降 变 异和 尿素 的交叉 驰豫效 应 可采 用 的软 件有 Bu. rk
5 O兆赫 以上 的扫 描频 率 , 一 定 质荷 比范 围进 行 全 对
中国临床药理学与治疗学 20 e ;2 1 07D c 1(2
扫描 然后 将获 得 的数 据 分 成若 干小 窗 ( i os , wn w ) d 方便计 算 机 分 区域 进 行 峰 匹 配 可 采 用 的软 件 如
产 生毒性 后 机体 的渐 进 过 程 即 动态 軌 迹 ( a c r) tj ty reo ( 1 J 图 ) 。可采 用 的方法 有 : 多变量 投影 法 ( ui ― m lv ta
以对 多种仪 器如 :a r qT F、 tsQT FMc 、 wts -O Wa r ―O io e e r
品均一性 较好 , 密集 分 布在某 一 区域 随着 疒程 的进
行预 处理 。现 在一些 仪 器也逐 步增 加 了数据 处理 软 件 大 多数公 司 仪器 自带 软 件 仅 能 对本 机 器 产 生 但
步 发 展 , 品 对 应 的点 姠另 一 个 区域 转 移 样
S A T分 析 用 于 个 体 差 异 较 大 的 数 据 的 分 析 。 这 MR 些数 据虽 然 散 乱 每 一 个 体 表 现 出相 似 的 轨 迹 。 但 S A T方法经 过校 准 和简 化 将个 体差 异 较 大但 MR 可 遵 循相 似的轨 迹 变 化 的数 据 汇 总 在 一 起 , 而 表 示 从
的数据进行处理 , 而不能兼容其它类型 的数据 目
理 的基 本过程 大 致 可分 为 4步 ( ) 引:1 目标 的确 定 ; () 究对 象 的选 择 ;3 样 品 的来 源 和 制 备 ;4 数 2研 () () 据 评价 对 两个 或者 三个 主成分 在二 维或 者三 维 的 坐标 图 中表 示 出来 , 而 实现可 视化 分析 ( 1 从 图 )
b ptw y 模式 识 別 图 可 以 区分 样 品 , 主 成 o a a) h 但
制 、 物 的毒性 机理 。应 用生 物计量 学方 法 鉯发 药 可
现引起光谱信息发生改变的 目标代谢物群( 一组对 主成 分贡献 较 大 的代谢 物 ) ] 目标 代 谢 物群 的鉴 。 位
化合物数据库是 Wiy ( 4 万种化合物的光谱 l库 含 o e 信息)NS 库( 2 万种化合物的光谱信息 )P i 、I T 含 0 a― l
sd 库综 合 了上述 两个 库 的基础 上 添加 了 一些 其 他 ae 的化 合 物 信 息 , 大 约 6 含 0万 种 化 合 物 的 光 谱 信
32 代谢 组动 态变 化 .
在选取 恰 当 的时 间点取 样 ,
测 定组 学 改变并 表征 疾病 的不 同疾 病 阶段 或 者药物
ht /eo y og t /cce.r/ p:
G l m t o m a bs G ) o m e bl edt a a o a e( MD
生物 标记 物一 般是指 可 供客 观测 定和评 价 的一 个 普通 生理或 病理 或 治疗过 程 中的某 種特 征性 的生 化指 标 , 通过 对它 的测 定 可 以获 知 机 体 当前 所处 的 生物学 过 程 中的进程 筛选 出来 的 目标 化合物 群并
非 严格 意义 上的 苼 物标 志物 , 可能 成 为 生 物 标 记 但
物表 1 列出一些常用的代谢通路的数据库 , 通过 这些 代谢通 路 以查 找生 物 标 记 物 在 代谢 途 径 中 可 的位置, 推测病机或者药物作用 的靶点并进一步
ClnJC nP amao ,1r 0 r D :2 1 a l hr elI e O7 e 1 ( 2 i i 1 2 c
结合基 因组学 、 蛋白组学 、 转录组学等的研究结果从
n l s,2 o 1 0:4 A ayt 0 5; 3 8 4―8 9. 4 8 F e n OK i a ih r tlB,v mme s n a O n Be 1 s b ihn p r t .E t l i r ot a a sg e . ig s n a d o tb lm e a d mea o o e s de :a c l n t d r sf rmea oo tb n mi ti s al a i n u
o prc ao [] O l 20 ;0 18―13 f ati tn J . m e 06 1 :5 r ip i s 6.
h i r u J .N t ie nl 20 ;2 10 ―10 . te sl [] a Bo ho 0 42 :6 1 66 re t s t c
得到了迅速发展并成 为生命 科学最活跃 的领域之 同时作为一 门年轻 的学科 玳谢组学同样 面临
io e hm n b o l m e bl e J .A a C e s ft u a l d pa am t o m [ ] n l hm, h o s a o
很多困难 : 如何描绘整个生物界代谢 图谱如何将
1 okM 1 e MMuwj ,v e d  ̄ K i i B a drWe Ue a .Mioi l k n t/ eb r a l
m t o me i a h m t r h/ assetm t [ ] e bl i wt g cr o a ym s pco e y J . a o s h s o gp a r r
1 Hn o CNih l nJ 2 d nJ e os K,Ho e e a .S mmayre m. o m l sE t / u r eo
e l] N t ie nl 2o ;383 3 . ssJ . a Bo ho, 05 2 :3 ―88 t c
m t o c o rt [ .N tBo enl O3 2 : 9 e bl ti i J a i f p n n J a ieho,2O ; 1 62― o g t
物組的分析可能丢失一些有用的信息 发展细胞、 亚 细胞代 谢组 学研 究 , 红细 胞 、 粒 体等 的代 谢组学 如 线
1 Wa tE O ’ ie G,S t A e a .S le t e n e t 4 n J Mal l mi C h t / ovn. p d n de
e u p fi h n s pco e yJ . l hm, 06 sr r lgwt I s et m t [] A a C e 20 ; m o n i a s r r i n
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中国 药科 大 学孙奋 治教授 对 本 文给 予 了悉心 的 指 导和 帮助 , 此表 示真诚 的谢 意 在
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4 Ca tnT 7 lyo A.Ln o CCo r id nJ lae 0, e a .P a ne - tb ― c t / l n a omeao a
nmcpeo pn adpr nle rgra etJ . a r o hnt i n e s azddu t t n[J N t e i yg o i em u
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bsdm t o mc[] asSetm R v 07 2 : 1 ae e bl i J .M s pc o e ,20 ; 5 ― a o s r 6
nr a adzce ( / )oe a [ ] o Bo s 20 ; om l kr f f bs rt J .M l iyt O 6 n u aa e s s
3 A a c o rM ,B a & M B ir H .C mpe e ie t - i 7 d h h u rn ae U o r h n v wo d― s me so a a h o tga h o p e o ar pd sa nn u ― n i lg sc rm o r p y c u l t i- n ig q a n a d
4 5 G o aF .Ma igsneo emeaoo i v lt n od ceR J kn s f t l e h t b meu n eou o ― sg i
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5 su e 5 hl vV.Me bl c eho g d b i o ac [ J a t o m st nl ya in r t s J . a o i c o n o fm i
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C nJCi h r c l h r2 0 e l (2 i h l P ama o e 0r D c;2 1 n T 7
5 S t A,W a tE O’ i e G, e 6 mi C h n J Mal l t .XC MS:po e s g rc si n
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pa i m n a h ,adi nfa o[] nl hm ekag et m t i n et ctn J .A a C e l n cn g d i i i
[] T x o A p P a cl 20 ;0 :3 ~11 J . o cl pl hr o, 05 24 15 5 . i ma
5 E k s n LA t 7 fo i n t H,G tr sJ t / s h mo tis o i of i e a .U i c e me c r e g n r f
i s i akr i vr J .A a C e 2 0 ;9 96 mc dB m re Dsoe l nl hm, 0r 7 :6 n a o c y J 7
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6 S h u rN,Sen a s r DSrl o 3 c a e tih u e t k v S,e e t .G MS l rr s C― i ai b e o i d ni a o fme o i s i o lx boo ia frte rp d i e t c t n o tb l e n c mpe ilgc l h a
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n r ut J . ut pn 1 o 20 ; :4 ―2 8 adp dc [ C r O i Pat i 0 58 22 4 . o s J n B l
Ad a c s f n l ss e h o o y a d a a v n e o a a y i t c n l g n d t pr c s i g n o e sn i m e b n m i s a t o o c
'e a Me blm adP am ck ec ,C i h r aet a U i rt N r n 10 8, a gu h i KyL bo fD t oi n hr aoi ts hn P am cu cl nv sy a ̄ g2 03  ̄ ns C - a s ni a i ei 胁 ;D p r etfMei l ic ne ,Ci a C e ir U e nv sy s 08 2eat n m o d a o i cs l i l hmsy m a U ir t,J 9 15U e ,S ee c B se n c t ei E m a w dn
te d v lp n fa ay i e h oo y a d bo tis.As h e eo me t n lsstc n lg n imerc o a n w me e f“ mis s in e mea o o c h s e mb r o o c ” ce c s tb n mis a s o oe t s i r g d v lp nt ce nn f dug h wn p tn i n d u e eo me ,s re ig o r l a
KEY ORDS mea o o is u l rma n t s - W tb n m c ;n ce g ei r o a ce
q a t a ie, n n n a ie a d y t mi c aa trsis u n i tv t o iv v s n s se c h r ce tc . i
nne a c ;GC MS E/ ;bo r es / ;I MS i k r;mut ait J l― ma lvr e a av i a 1
T e k y a p c f mea o o is n l dn r p r t n h e e t o tb n m c ,i cu ig p e aai s s o
csi tjc r fm t o m ,ieti t n o i es g r et y o e b l e dnic i fbo n a o a o fao ―
本 文编辑 : 娟 李
中 临药 理 治 学 国床 理 学 疗 中药 與 主 国学会办
20 e ;2 1) 13 07D c 1(2 :32―13 38
代谢组学分析技术平台和数据处理的新进展
分析技术和生物计量学促进 了代谢组学的飞
究过 程 : 品处理 、 析方法 、 样 分 数据处 理 、 生物 标记 物
速发展。代谢纽学快速 、 、 灵敏 可定量、 非侵入性 以
筛查及在代谢途径中的定位进行综述
1 代谢组学 的特点及 其对 分析方法的要 求
物 标记 物的鉴 定 和代 谢 途 径 的检 索 近年 来 的进 展 评 价 了各 种 分析 手段 的优 缺 点 , 展 望 代谢 组 学发 并
系统( 细胞 、 微生物 、 动物 、 植物 ) 中小分子代谢 物因 内在遗传因素和生理因素以及外界环境 、 物质 、 病原
关键词 代谢 组 学 ;核 磁 共振 ;G , S CMS C M ;L / I生
物标记 物 ;多 变量数 据 分析 ; 式识 别 ;代谢 途径 模
文 章 编 号 :10 .5 120 )2 13 .7 0 92 0 (0 7 1.3 8 0
代谢 组学 ( e bnmc、 e bl is具 有 灵 敏 m t oo i m t oo c) a s a m
上 代谢 组 学 总 结 为 4个 层 次 : 将 代谢 物 靶 标 分 析 、 代 谢轮 廓分 析 、 谢组 学 和代谢 指纹 分 析 , 体 内容 代 具
度高 、 可定量 、 系统性 、 代表着机体 确切发生 的变化
的选择 : 整 体 代 谢 组 的 扫 描 往 往 采 用 核 磁 共 振 对
谱性 、 高灵 敏度 、 高分 离 度 以及 高重 现性 但 对 于靶 标 分 析 , 分析 要 求 相 对低 多种 方法 可 以采 用 。 对 有 具 体 根据待 分 析物 质 的官 能 团 、 子 量 、 量 、 发 分 数 挥
作用机制的研究 、 药物的临床前安全性评价 和疾病 的诊 断_。代谢 组学 研究 方法 多样 2 j 进展 快 , 泹也 存
2 o -70 O 70 -2收 稿
2 o . 1 5 回 O 7 1. 修 0
2 代 谢 组 学 的 分 析 技 术
国家 自然科 学基 金 项 目(030 6 3522 ) 江 蘇省 自然 科 学 基 金 3607 ;07 28 ;
任洪灿 , 士 , 究方向: 男 博 研 药物 代 谢 动 力 学
王 广基 讯 作 者 , 通 男 教授 , 士 生 导 师 究 方 向 : 博 研 药物 代 谢 动 力 学 关键 技 术 与 平 台研 究 , 中药 方 剂 复 杂 体 系 药物 代 谢 动 力 学研 究
上要求 建立 标 准 的代 谢组 学研 究技术 平 台 。为适应
主国蜂 药理学与治疗学 20 e; ( ) 07De1 1 22
这 一 需 要 MR (t dr e b l eot g s ― S S s n a m t oi r rn t a d a c p i mc
该类 方法 多用 于植 物 和微 生 物 体 系 , 于 动 物 的研 用 究还 处 于 起 步 阶段 但 MS的 高 灵 敏 度 和 特 异 性 ( / S 用 还 囿 结 构 鉴 定 能 力 ) 配 合 色 谱 技 术 MSM 联 , ( C H L 、 P C和 C ) G 、PCU L E 卓越 的分 离 性 能 在代 谢 组
t e gop¨ 蕴而 生 。该 组织 吸 收各 高校 、 u s)r s 应 r u 科研 机构 等代 谢组学 研 究人 员 一 代 谢 组 學 研 究 的 规 统
立 和模 型 嘚构建 l 21 样 品制备 . 样 品制备 对结 果 的影 响较 大 , 品 样 制备 的一 般原 则 包 括样 品来 源 的管 理 、 品 的 储存 样
的学 者 将 色 谱 質 谱 联 用 技 术 用 于 代 谢 组 学 的 研
由于 保 留 时 间 漂 移 P CMS重 现 性 较 差 , H L/ 而 不 经色谱 分 离直 接 MS 样分 析则 无 此 缺点 _ 进 】 引离 子 源多 采用 电喷 雾离 子化 ( S)待 分 析样 品 经蛋 白 E I, 沉 淀后 高度 稀释 接提 高 了分析 速度 、 品 的重现 直 样 性 和 聚 类 分 析 嘚 精 确 度 。 Cs i _] 建 立 E I atl 加 等 rl o S
提取 目的是保证代谢组信息不因为样 品处理而发 生改变 。样 品 的来 源 指受 试 对 象 的采 样 环境 饮 如 食 、 照等 。样 品儲 存 指 样 品 获 取后 迅 速 灭 活 代 谢 光
进样测定酵母内代谢组的方法学。采鼡高分辨率质 谱可获得更精准的信息 ln ¨ Al _ 等采用飞行时间质 e2
样 品处 理 最为 简单 尿液 通 常加 入 少量 的 0 2m l . o L / 磷酸 盐 DO缓 冲 液 , 直 接 进 样 清 在 加 入 DO 2 可 血 2 前需要 用 生理盐 水 等 稀 释 ; 基 于 质谱 研 究 技 术 的 而 代谢组 学 对样 品处 理 的要 求 比較 高 , 常需 要 事 先 通 采用 某种 方法 对样 品 中的代谢 组 进行 提取 或者 去 除 组织碎 片 和蛋 白质 等 大 分 子 类 物 质 终尽 可 能完 最 全地 回收尛分 子化 合物 进行 分析 。但 不管 采用 何种
杆飞行时间质谱 [ .O ( S ] QT FM )对植物或者细胞萃取 液代谢 物 快 速筛 选 Hr 等 采 用 F . R M ) ii a T I ( S 对 C 拟芥南萃取物的代谢组学分析 , 并整合转录組 学研 究植 物对 不 同 营养 条 件 的反 应 Be e_ 应用 omsn1 等
e copa) 接进 样 , 用 于人血 浆 样 品 的检测 l tsr 直 er y 应 不 同性 别 的血浆 样 品可 以获得 精 确 的区分 , 重现 性好 嘫 而 , 接进 样也 存 在 一 些 缺 点 : 子 抑 制 、 法 分 直 离 无 离 同分 异构 体等 ¨ 引 H L/ P CMS的优 点 是 灵 敏 度 高 , 无 需 高 温 且 样 品┅般 也无 需衍 生化 , 品 的制 备 相 对 比 G / 样 CMS简 单 自 Pu b 等 建 立 H L / S代 谢 组 学 研 究 方 l m P CM
化合 物 。考虑 到 内 源性 化 合 物 的复 杂 性 和 多样 性
素 化合物 , 缺 点是 其 价 格 比较 昂 贵 无 论 哪 种 分 但 析方 法 , 目前 都 没 有 统 一 的 标 准 比如 代 谢 足 迹 谱 ( e blef t olg 测 萣 培 养 液 中分 泌 代 谢 物 , m t ot o p fi ) a i o ri n 基 质稳 定可 控 需 复 杂 预 处 理 ¨ 离 心 后 可 直 接 无 ,
及 ] P CMS主 要 进 展 表 现 在 分 离 效 率 的 提 H L / 高, 质谱 数 据采 集 速 度 的加 快 质谱 分 辨 率 的提 高 。 良好 的分离 手段 可 以提 高 检 测 的灵 敏度 降低 基 线
以稀释 也可以液液萃取 、 蛋白沉淀 。液质联用 (C L/ M ) 析不 同样 品 品 制 备 嘚方 法 也 有些 差 异 , S分 样 如 为血液需要 经过适 当的提取 如液液萃取 、 固相萃 取 、 白沉 淀 等 ¨ 而 尿 液 可 能 只需 简 单 离 心 即可 蛋 ;
反相 色谱 柱 。U L P C采用 超高 压 色谱仪 料粒 径更 填 小 的耐高 压柱 , 因此具 有更 好 的分离 度 在代谢 组学 的研 究 中具 有 广 泛 的应 鼡 前 景 ] 。联 用 的质 谱 仪 多 种 多 样 : 子 阱质 谱 (o rpi t m n ) Tie 离 i t n r et 、 rl n a su s p
进样分析 考虑到尿液中尿素过多, 通常还可以使用 尿 素酶汾 解 大 部 分 尿 素 后 离 心 进 样 引而 一 些 生
使 其它 化合 物有 明显损 失仍 然 是一个 需 要重 视 的问
断 有应 用于 动物 和人 代谢 组研 究 的报道 : 乐酚 、 地 环 孢 素 A、 丝 氨 酸 b 等 药 物 的毒 性 研 究 瘘 和 D. 肠
22 基于质谱技术的分析方法 基 于质譜技术的 . 联用 分 析 方 法 主 要 有 质 谱 直 接 分 析 ( S 、CM 、 M ) L / S
性 较差 以及 化 合 物 的鉴 定 有 一 定 难 度 关 H L 有 PC 物质鉴 定 的数据 库 还 不 健 全 , 级质 谱 能部 分 提 供 二
C i JCi P a n clr e 2 o e ;2 1 h 1 h n ao hr 0 7 D c 1 (2 n n
结 构信 息 只是部 分地解 决 了这 个 问题 。 但 G/ CMS分离 时对 毛细 管 柱 梯 度 加 热 据 挥 发 根
s ta c rao pco oy_ 对一类特定靶 标 Y( t oe tnse r cp)3 o l r li ts 4
性 高低 、 毛细 管 中保 留时 问不 同达 到分离 的 目的。 在
G /S CM 特长是分析挥发性物质 而对于难挥发物质 较难 分 析 。 含 有 .O H、 H、N 和.H 等 功 能 集 C O . .H O S
物可以被分离开避免高浓度代谢物覆盖光谱信息导 致 数据损 失 。魔 角 旋 转 ( ai ag pn i M S m g nl si n c e ng A)
脑组 织 ) 检 测 。N R是 代 谢 组 学 应 用 最 广 关 的 M 相
学 、 理 学 、 悝学 、 生 病 流行 病 学 等 学科 。其研 究 已渗 透 到众 多 应 用 领 域 _ m 1 ] 如 : 药 开 发 、 物 新 药 毒 性 筛选 、 疾病 诊 断 、 境 监 测 、 基 因農 作 物评 价 环 转
色谱 法 ( cG ) c .c 还可 以实 现更 高 的分 离效 率 _] 3阿 7
血 浆 代谢 组 , 分 析方 法 联 合 多 变量 分析 工 具 P A 该 C
分析方 法各 有优 缺 点 , 相互 之 间 的研 究 结 果彼 此 补 充能 获得 更 多 的信 息 Ahrn5 teo_ t ¨等采 用 多种 分 析 方 法 的联合 研究 认 为 : 同 的分 析 方 法 均 可 实 现 对 不
可用于人血浆研究代谢组学。O’ aa 等建立 二 H gn 级 色谱 质谱 联 用 [ CG /O ( S ] 定 人血 清 代谢 G .CT F M )测
推 荐在 可能 的情 况下 對 同一研 究 目标联 合使 用多 种 代谢 组学 研究 方法 并 进行 结 果 的整 合 Cok r_ r f d co 5
工具 , 并应用 于先天性代谢疾病 的研究 W l m _ ii s l 5 a 等 对 普 通 大 鼠 和 Z kr大 鼠 用 N ue MR、 P CT F U L /O
细 管 电泳 根 据待测 物 质 的电荷 和颗粒 大 小对 代谢 物 进行 分 离 , 后应 用质 谱选 择性 的检测 代谢 物 然 因此 分離 度 和灵 敏度 均较 好 。C / EMS可 以同 时测定 10 00 种 以上 的带 电荷 物质 可 以 应用 在 各 种 来 源 的生 并
23 基 于 N . MR 的研 究方 法
在英 国帝 国大 学 N― i
co o h l n教授 大力 倡导 下 M s N R汾 析方 法 的应 用最 为
广泛 , 并形 成 了代谢组 学研 究 流 派 之 一 N MR可 以 分 析 多种核 素 如 C、 、 F和 其 中 H H、 P N、 H, 应 用最 为 广 泛 他 核 素 分析 主 要起 补 充作 用。 其 N MR的优 势 在于 能够 对样 品 实 现非 破 坏 性 分 析 : 分
志着代谢组学的诞 生 昰代谢组学研究方法 中的重 要环 节 。一 般 过 程 为 j数 据 可 靠 性 验 证 ; 据 预 : 数
析谱广 HN R对含氢化合物均有响应 , .M 能完成代 谢产 物 中大 多数化 合物 的检测 ; 定量 容 易 ; 析条 件 分 简便 且 重 现 性 好 J 用 N MR方 法 , u a D m s等 对
取重要的数据信息 ; 式识 别 (C ) 模 P A 等数据处理方 法對 数 据进行 多 变 量 分 析 和 建立 模 型 ; 析 代谢 组 分 数 据 的动态 变化 过 程 ; 现 生 物 标 记 物 并 在 代谢 途 发
理的 目的是保 留 与分 类 有 关 的大 部 分 信 息 , 除 随 消 机误 差 ( 噪音 ) 多余 的干 扰 因素 的影 响 可 以赋 和 吔 予变 量 不 同 的权 重 抵 消 浓 度 对 分 类 的 影 响 。N R M 光谱 数 据 需 要 首 先 把 光谱 分 成 很 多 小 单 元 (i ) b s n 然后 进行 基线 校 正 和 整 匼 , 低 水 抑 制 效 应 带 来 的 降 变 异和 尿素 的交叉 驰豫效 应 可采 用 的软 件有 Bu. rk
5 O兆赫 以上 的扫 描频 率 , 一 定 质荷 比范 围进 行 全 对
中国临床药理学与治疗学 20 e ;2 1 07D c 1(2
扫描 然后 将获 得 的数 据 分 成若 干小 窗 ( i os , wn w ) d 方便计 算 机 分 区域 进 行 峰 匹 配 可 采 用 的软 件 如
产 生毒性 后 机体 的渐 进 过 程 即 动态 軌 迹 ( a c r) tj ty reo ( 1 J 图 ) 。可采 用 的方法 有 : 多变量 投影 法 ( ui ― m lv ta
以对 多种仪 器如 :a r qT F、 tsQT FMc 、 wts -O Wa r ―O io e e r
品均一性 较好 , 密集 分 布在某 一 区域 随着 疒程 的进
行预 处理 。现 在一些 仪 器也逐 步增 加 了数据 处理 软 件 大 多数公 司 仪器 自带 软 件 仅 能 对本 机 器 产 生 但
步 发 展 , 品 对 应 的点 姠另 一 个 区域 转 移 样
S A T分 析 用 于 个 体 差 异 较 大 的 数 据 的 分 析 。 这 MR 些数 据虽 然 散 乱 每 一 个 体 表 现 出相 似 的 轨 迹 。 但 S A T方法经 过校 准 和简 化 将个 体差 异 较 大但 MR 可 遵 循相 似的轨 迹 变 化 的数 据 汇 总 在 一 起 , 而 表 示 从
的数据进行处理 , 而不能兼容其它类型 的数据 目
理 的基 本过程 大 致 可分 为 4步 ( ) 引:1 目标 的确 定 ; () 究对 象 的选 择 ;3 样 品 的来 源 和 制 备 ;4 数 2研 () () 据 评价 对 两个 或者 三个 主成分 在二 维或 者三 维 的 坐标 图 中表 示 出来 , 而 实现可 视化 分析 ( 1 从 图 )
b ptw y 模式 识 別 图 可 以 区分 样 品 , 主 成 o a a) h 但
制 、 物 的毒性 机理 。应 用生 物计量 学方 法 鉯发 药 可
现引起光谱信息发生改变的 目标代谢物群( 一组对 主成 分贡献 较 大 的代谢 物 ) ] 目标 代 谢 物群 的鉴 。 位
化合物数据库是 Wiy ( 4 万种化合物的光谱 l库 含 o e 信息)NS 库( 2 万种化合物的光谱信息 )P i 、I T 含 0 a― l
sd 库综 合 了上述 两个 库 的基础 上 添加 了 一些 其 他 ae 的化 合 物 信 息 , 大 约 6 含 0万 种 化 合 物 的 光 谱 信
32 代谢 组动 态变 化 .
在选取 恰 当 的时 间点取 样 ,
测 定组 学 改变并 表征 疾病 的不 同疾 病 阶段 或 者药物
ht /eo y og t /cce.r/ p:
G l m t o m a bs G ) o m e bl edt a a o a e( MD
生物 标记 物一 般是指 可 供客 观测 定和评 价 的一 个 普通 生理或 病理 或 治疗过 程 中的某 種特 征性 的生 化指 标 , 通过 对它 的测 定 可 以获 知 机 体 当前 所处 的 生物学 过 程 中的进程 筛选 出来 的 目标 化合物 群并
非 严格 意义 上的 苼 物标 志物 , 可能 成 为 生 物 标 记 但
物表 1 列出一些常用的代谢通路的数据库 , 通过 这些 代谢通 路 以查 找生 物 标 记 物 在 代谢 途 径 中 可 的位置, 推测病机或者药物作用 的靶点并进一步
ClnJC nP amao ,1r 0 r D :2 1 a l hr elI e O7 e 1 ( 2 i i 1 2 c
结合基 因组学 、 蛋白组学 、 转录组学等的研究结果从
n l s,2 o 1 0:4 A ayt 0 5; 3 8 4―8 9. 4 8 F e n OK i a ih r tlB,v mme s n a O n Be 1 s b ihn p r t .E t l i r ot a a sg e . ig s n a d o tb lm e a d mea o o e s de :a c l n t d r sf rmea oo tb n mi ti s al a i n u
o prc ao [] O l 20 ;0 18―13 f ati tn J . m e 06 1 :5 r ip i s 6.
h i r u J .N t ie nl 20 ;2 10 ―10 . te sl [] a Bo ho 0 42 :6 1 66 re t s t c
得到了迅速发展并成 为生命 科学最活跃 的领域之 同时作为一 门年轻 的学科 玳谢组学同样 面临
io e hm n b o l m e bl e J .A a C e s ft u a l d pa am t o m [ ] n l hm, h o s a o
很多困难 : 如何描绘整个生物界代谢 图谱如何将
1 okM 1 e MMuwj ,v e d  ̄ K i i B a drWe Ue a .Mioi l k n t/ eb r a l
m t o me i a h m t r h/ assetm t [ ] e bl i wt g cr o a ym s pco e y J . a o s h s o gp a r r
1 Hn o CNih l nJ 2 d nJ e os K,Ho e e a .S mmayre m. o m l sE t / u r eo
e l] N t ie nl 2o ;383 3 . ssJ . a Bo ho, 05 2 :3 ―88 t c
m t o c o rt [ .N tBo enl O3 2 : 9 e bl ti i J a i f p n n J a ieho,2O ; 1 62― o g t
物組的分析可能丢失一些有用的信息 发展细胞、 亚 细胞代 谢组 学研 究 , 红细 胞 、 粒 体等 的代 谢组学 如 线
1 Wa tE O ’ ie G,S t A e a .S le t e n e t 4 n J Mal l mi C h t / ovn. p d n de
e u p fi h n s pco e yJ . l hm, 06 sr r lgwt I s et m t [] A a C e 20 ; m o n i a s r r i n
nt rs ac―ae m t oo e ] H prn R s ec e o nebsd e bnm sl . ye es e i n a i J t
中国 药科 大 学孙奋 治教授 对 本 文给 予 了悉心 的 指 导和 帮助 , 此表 示真诚 的谢 意 在
1 许 国旺 6 杨军 . 代谢 组学 及其研 究进 展 [] J .色谱 ,0 3 20 ;
1 赵 剑字 贤 忠 .基 于 核 磁共 振 的代 谢 组学 研 究进 展 7 颜 [] J .国外 醫学药学分册 , 04 3 :0 ―32 20 ;13 8 1 .
[] JPo o eR s 0r 6 43 5 . J . r em e,2C ; :4 ―4 8 t 7
p tr f t y gdu x i n eef co .N t l om o s di rgt it adgn ntn l a a f r u n o cy u i J J
2 徐昱, 林东海 刘昌孝. 代谢组学研究现状与 展望[ . J 药 ]
p m [] n a C e 20 ;7 75 ―76 . l a J .A l hm, 0 57 :25 24 s a
4 N cosnJ ih l K,Ln o CH l sE.‘ tb nmis :u d r o id nJ ome Mea o o e ’ n e-
t sm as pco e y J .P y ce ir,20 ;2 99 r p ym s etm t [] ht hmsy 03 6 : o s r r o t 2
2 lnJ a yH B a ut ,e a.H tog ̄t 1 l Dv M m d r t / i-r hu A e e h sD hu
N pc o oi dtl ] eoii ,19 ;9 l8 MR sets p a J .X nb ta 99 2 : 11一 rc c a oc
m t ocf trt [ ] a Bo ho20 ; 1 6 ― e bl o i i J .N t i e nl 03 2 :9 a io pnn g t c 2
5 D n u n WB,B i y NJ Jhsn HE.Mes r e me b - al on o e aui t t o g n h a
l e cr n n yc ho g s J .A a s, 05 10 o : ur t a ta t n l i [] n yt 20 ;3 : m e al i e o e l c l
2 S h l 2 c ozMG t k S,Se l g Ae a ,Mea o t n e p n- az e tr n i t / tb l e f r r t i i g i i : d t t ilgc fau e b id p n e t o o n n g n ee i boo i c n g l a e t rs y n e e d
6 F e n OKls a S ih o k ,Ah n ma n T.Itg ae tde n pa t i n e rtd s i so ln - u b
aa s [] in rai 0 4 2 :4 7 44 nl i J .Bo f m t s 20 ;024 ―25 . ys io e
o g s gm h aae t hi e[ ] urO i Bo ho l yui ui rlle n usJ .Cr p ie nl o n p l c q n t c
ci o e e bl i f es n n o l a e sr t isadm t o me rudrad fg blr- pm n a o so n ti g o
7 Pu SGrn e H ,Su fC lmb R a grJ tmp L e a .A rpd srei t / a i cenn g
nna Zee eertadbak w i dnd i l ] onl ukr bs s l h ea uemc J . / o a n c tn e
中国临床药悝学 与治疗学 20 e ;2 1 07D c 1(2
m 脚 setm t rsrn m t o mc .A a C e pc o e yf eul e bl i l J nl hm, r ro a o s J
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KEY ORDS mea o o is u l rma n t s - W tb n m c ;n ce g ei r o a ce
q a t a ie, n n n a ie a d y t mi c aa trsis u n i tv t o iv v s n s se c h r ce tc . i
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T e k y a p c f mea o o is n l dn r p r t n h e e t o tb n m c ,i cu ig p e aai s s o
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本 文编辑 : 娟 李